Моделювання гідродинамічної структури потоків при безперервному віброекстрагуванні на основі комірчастої моделі із зворотними потоками

Abstract

Ефективна робота віброекстракційної апаратури передбачає оптимізацію співвідношення між мікро-і макромасштабними параметрами дії турбулентних пульсуючих струменів, що можливо здійснити лише при більш глибокому аналізі їх природи на стадії генерування віброперемішувальними пристроями і розповсюдження в робочому об’ємі апарата. Разом з тим, відомі методи розрахунку гідродинамічних, теплових і масообміних характеристик традиційних екстракторів є непридатними у практичному використанні для віброекстракторів. В представлених матеріалах зосереджено увагу на математичному описі моделі структури потоків на основі реальної комірчастої моделі із зворотними потоками за результатами випробувань пілотного віброекстрактора безперервної дії колонного типу. Показано, що в реальних умовах ідеалізовані моделі структури потоків в апаратах з інтенсивним гідродинамічним режимом руху фаз не забезпечують належну точність опису гідродинамічної структури потоків за причиною наявності в робочому об’ємі апарата додаткових гідродинамічних ефектів внаслідок створення віброперемішувальними пристроями нерівномірного профілю швидкостей окремих потоків в поперечному перерізі апарата – поздовжнім перемішуванням. Для встановлення, обґрунтованого в заданих технологічних межах зв’язку між конструктивними та технологічними параметрами процесу, застосовувалась аналітична теорія структури потоку. Представлені аналітичні дослідження структури гідродинамічних робочих потоків в умовах твердофазового безперервного віброекстрагування з урахуванням щільності зовнішніх джерел накопичення цільового компонента на основі комірчастої моделі із зворотними потоками. Для спрощеного введення початкових параметрів та для наочного зображення результатів розрахунків було створено віртуальний тренажер. Аналітичні результати можуть бути використані на стадії проектування, конструювання віброекстракційної апаратури та при розв’язанні оптимізаційних задач. Створена за відповідним алгоритмом програма розрахунків реалізована за допомогою пакета MatLAB і дозволяє визначити розподіл концентрацій екстрактивної речовини за проточними і застійними зонами окремо по кожній фазі в часі, а також у кожній комірці робочої зони віброекстрактора безперервної дії. Effective operation of the vibroextraction apparatus provides for optimizing the relationship between the micro- and macro-scale parameters of the action of turbulent pulsating jets, which is possible only with a deeper analysis of their nature at the stage of generation by vibro-mixing devices and propagation in the working volume of the apparatus. At the same time, methods for calculating the hydrodynamic, thermal, and mass-exchange characteristics of traditional extractors are currently unsuitable for practical use for vibro-extractors. The presented materials focus on the mathematical description of the flow pattern model on the basis of a real cell model with backflows based on the results of testing a continuous column-type vibro-extractor. It is shown that in real conditions idealized models of the flow pattern in devices with an intensive hydrodynamic regime of the phases do not provide the proper accuracy of the description of the hydrodynamic flow structure due to the presence of additional hydrodynamic effects in the working volume of the apparatus due to the creation by vibromixing devices of an unequal velocity profile of individual flows in the cross section of the apparatus – Longitudinal mixing. To establish the connection between the design and technological parameters of the process, justified within given technological limits, an analytical theory of the flow structure was used. Presented analytical studies the structure of hydrodynamic workflows under conditions of two-phase continuous vibroextraction taking into account the density of external sources of accumulation of the target component based on the collar model with backflows. To simplify the input of initial parameters and to visualize the results of calculations, a virtual simulator was created. Analytical results can be used at the design stage, the design of vibroextraction equipment and in solving optimization problems. The calculation program created by the corresponding algorithm is implemented using the MatLAB package and allows determining the distribution of extractant concentrations with flow and stagnant zones separately for each phase in time, as well as in each cell of the working zone of the continuous vibroextractor.